[헬로티=서재창 기자, 출처 3D시스템즈 백서]

탄소 섬유 부품은 성능과 중량이 연관돼있는 산업에서 인기를 얻고 있다. 자동차, 항공우주, 로봇, 스포츠 장비에 탄소 섬유 부품을 사용하면, 부피 대비 높은 강도를 통해 큰 효율성을 얻을 수 있으며, 이 소재군의 응용 분야는 꾸준히 증가하고 있다. 

탄소 섬유 : 복합물 제작에 대한 새로운 접근 방식

구성 요소의 복잡성에 근거해 탄소 섬유 부품을 생산하는 기존 방법이 항상 원래 설계를 정확히 반영하는 결과물을 만들지 않는다. 대부분의 경우, 이렇게 되는 원인은 탄소 섬유 플라이의 비균일 또는 부정확한 강화다. 

이러한 결함으로 인해 일반적으로 구성 요소 내에 위치에 따라 보이거나 보이지 않는 주름이나 융기, 공급이 생겨난다. 구조적으로 이러한 결함은 설계의도에서 벗어난 것이며, 심각도에 따라 부품 성능에 영향을 줄 수 있다. 

3D시스템즈 엔지니어는 탄소 섬유 구성 요소를 생산하는 접근 방식을 완성해 보이지 않는 결함이 형성될 가능성을 최소화했다. 

이 접근 방식은 광조형(SLA) 3D프린팅과 3D시스템즈의 SLA 소재를 활용해 부품 내부 및 외부에서 모두 표면 마감 처리가 제어된 정밀하게 통합된 구성 요소를 제공한다. 

이 방식으로 제조업체는 설계 의도를 결함 없이 완벽히 나타내는 파트를 생산함으로써 부품의 품질을 개선할 수 있다. 적층제조 및 재사용 가능한 3D프린팅 부품은 고가의 공구 사용 없이 기능성 부품을 만드는 효율적인 경로를 제공한다. 

탄소 섬유 부품의 우수한 통합을 달성하는 방법

제조업체에서 복합 부품 생산에 접근하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 주로 사용되는 생산 보조 도구에서 차이가 난다. 일반적으로 이러한 생산 보조 도구는 위에서 논의된 라텍스 고무 블래더나 폴리에틸렌 슬리브처럼 단순하거나 툴링된 삽입물처럼 진보된 것일 수 있다. 

어떤 소재나 공정에 활용되든 상관없이 이러한 도구는 경화 전과 경화 중에 배치된 섬유에 형상을 제공하는데 사용된다.  

기존 각 방식의 장점이나 한계가 무엇이던 SLA 툴링이 제공하는 주요 장점은 어느 방식에도 없다. 3D시스템즈의 SLA 방식에는 두 가지 구성 요소인 희생 내부 도구(맨드릴)와 재사용 가능한 외부 도구(쉘)가 통합돼 있다. 

3D시스템즈의 SLA 부품의 강도와 견고함으로 인해 맨드릴은 중공 부품으로 설계하는 것이 가장 좋고 그렇게 되면 진공 공정 중에 탄소 섬유 어셈블리를 통해 열린 채널이 있을 수 있다. 

이로써 바깥쪽으로 미는 맨드릴의 내부 표면뿐 아니라 안쪽으로 미는 쉘이 외부 표면에 균일한 압력을 가할 수 있어 탄소 섬유 플라이가 탁월하게 강화된다. SLA 부품은 후처리가 필요 없는 고품질 표면을 특징으로 한다. 

SLA 부품은 후처리가 필요 없는 고품질 표면이 특징이다. 3D시스템즈의 SLA 프린트된 부품은 비 다공성, 기밀성 및 진공 기밀성을 갖추고 있으므로 응용 분야에서 사용되기 전에 부품을 밀봉하기 위한 추가단계가 필요하지 않다. 

물론 응용 분야에서 요구한다면 2차 마감 처리 작업을 항상 적용할 수 있다. 3D시스템즈의 SLA 소재 특성과 진공 경화 공정에 의해 가해지는 힘으로 인해 맨드릴의 정밀한 외부 표면이 탄소 섬유 부품의 내부에 부여되고 SLA 쉘의 정밀한 내부 표면은 탄소 섬유 부품의 외부에 부여된다. 

이것은 날카로운 형상과 모서리뿐 아니라 더 섬세한 기능에도 적용된다. 균일한 압력을 내외부에 가하는 SLA 방식으로 의도한 설계 기능을 보여주는 결과물과 예상 가능한 툴링 성능이 구현 가능하다. 

SLA 공정을 사용한 복잡물 제작

이 어플리케이션은 비교적 단순하지만 가장 원활한 공정과 최상의 결과물을 위해 권장되는 몇 가지 디자인 팁이 있다. 

중공 맨드릴 : 소재 절약 외에도 내부 SLA 맨드릴을 끝에서 끝까지 열린 채널을 사용해 중공형으로 설계하면, 맨드릴 내부에서 바깥쪽으로 압력을 가할 수 있어 최종 탄소 섬유 부품을 탁월하게 강화할 수 있다. 

맨드릴의 벽두께 : 경화 주기 동안의 견고함에 대한 응용 분야 요구 사항과 제가 단계 동안의 찢김 편의성과의 균형을 유지하기 위해 약 2mm의 벽두께를 권장한다. 

맨드릴 확장/그립 : 이 팁은 두 가지 목적을 제공하며 그립을 포함하도록 맨드릴을 확장하는 것과 관련된다. 기본 목적은 진공 백을 밀봉하는데 도움을 주는 것이다. 

이 목적에 타원 형상이 최고의 편의성을 제공한다는 것을 발견했다. 이러한 확장의 2차 목적은 최종 부품 내부에서 맨드릴을 제거해야 할 때 그립을 제공하는 것이다. 

취약점 : 맨드릴 제거의 목표는 최대한 적은 수의 조각으로 제거하는 것이다. 경우에 따라 최종 부품의 기하형상으로 인해 맨드릴이 파손될 수 있는 위치를 예측하기 어려울 수 있다. 이러한 경우 힘이 가해질 때 맨드릴이 의도한 위치에서 파손되도록 맨드릴 설계 내에 노치와 같은 기능을 포함할 수 있다. 

소재 선택 : SLA 탄소 섬유 공정으로 최상의 결과를 얻기 위한 핵심은 적합한 SLA 소재를 사용하는 것이다. 내부 맨드릴의 경우 ‘Accura Xtreme White 200’을 권장한다. 이 소재의 고유한 속성으로 인해 이 응용 분야에 특히 적합하다. 

견고함과 컴플라이언스를 모두 최상으로 제공하기 때문이다. Accura Xtreme White 200 부품은 견고해 어셈블리 내에서 탄소 섬유를 놓거나 경화하기 위한 정확한 형태를 보장한다. 

동시에 고열을 가하면 소재가 유연해지고 약간 확장하기도 한다. 경화 공정에서 이 같은 성질은 강화를 돕고, 맨드릴 제거 공정에서는 추출을 용이하게 한다. 외부 쉘의 경우 ‘Accura Bluestone’ 또는 ‘Accura HPC’를 권장한다. 

Accura Bluestone 및 Accura HPC는 모두 고성능 복합 소재로 뛰어난 강성 및 견고함뿐 아니라 높은 내열성을 제공해 오토클레이브 공정에 적합하다. 이러한 소재는 안정적이고 내구성이 좋아서 적절하게 주의를 기울이면 여러 생산 주기를 견딜 수 있다.